パワー・サイクリング101：高精度センサー製品のエネルギー利用の最適化

1. 動作の理解

傾斜センサー・システムの例は、図1の一般的なシステムにかなり似ています。内蔵MEMS加速度センサーの主要部には、トランスデューサ素子もインターフェース回路も内蔵されています。加速度センサーの信号は単極ローパス・フィルタを通り、信号帯域幅が50Hz に制限されます。A/Dコンバータは200SPSのサンプル・レートで動作し、その出力をデジタル処理段に送信します。デジタル処理機能には、移動平均フィルタ、温度補正式、静的な加速度センサーの読取り値を傾斜角に変換する算術関数、ユーザー・インターフェース・レジスタ、シリアル・インターフェースがあります。

加速度センサーの測定軸が重力に対して垂直な場合は、バイアス誤差がゼロと仮定すると、その出力はゼロになります。加速度センサーの測定軸が重力と平行な場合は、出力は＋ 1g または－ 1g になります（極性は向きによって異なります）。静的な加速度センサーの測定値と傾斜角の関係式は、図3 に示すような単純な正弦関数（s in関数）または正接関数（t an関数）となります。この分析は、水平モード（正弦）を中心とします。

2. 製品の技術文書から関連情報を取得

表1 に、高精度センサー・システムのパワー・サイクリングに影響を及ぼすパラメータの概要を示します。これらのパラメータの一部は製品のデータシートに規定されていますが、ほかのパラメータについてはエンドシステムの目標性能という観点から分析を行う必要があります。P_ONとT₁ は、データシートから抜粋したパラメータです。残りのパラメータは、T₂ とT₃ を推定するために使用されます。オフモードの消費電力は、リニア・レギュレータのシャットダウン電流で決まります。

3. 根拠に基づく仮定による残りの影響要因の定量化

セトリング時間は、センサー・システムが対応できる精度と測定レートに影響します。セトリング時間には多くの要素が影響しますが、この分析では電気的な要素に注目します。セトリング時間を推定する場合は、目標性能、いくつかの重要な仮定、電源の投入に対するセンサー応答の分析モデルが必要となります。最初の重要な仮定は、フィルタのセトリングが初期スタートアップ期間（ターンオン時間）後に起きるということです。これらの2つの期間が同時に発生することもありますが、順次起きるものとして分析するほうが、慎重なスタートポイントとなります。図4は、電源の投入に対するセンサー応答を分析するための簡略モデルです。

電源投入後に、加速度センサーの出力a( t)はステップ応答になります。センサーは単電源で動作するため、出力は多くの場合ゼロで始まり、すぐに加速度が加わった方向を確定するレベルに遷移します。説明を簡単にするために、ゼロ出力を最小加速度レベルと仮定します。この場合、規定の最小値の－ 1.7gに対してある程度余裕を持たせるために－2gを使用します。また、最大傾斜角度範囲は＋30°で、これは＋0.5gに相当します。これらの2つのインターバルを合わせると、スタートアップ時の加速度センサー信号の最大遷移は＋ 2.5gとなります。単極ローパス・フィルタのステップ応答b(t)は、次式で得られます。

デジタル・フィルタを使用するモデルの場合は、フィルタをシミュレートする加算モデルとともに、離散型のb(t) が必要です。

セトリング時間は、規定された精度A_E 以内の最終値に落ち着くまでの時間です。図5に2つの過渡応答曲線を示します。各曲線は、目標精度を0.1g としたときのセトリング時間を示しています。

この例の場合、誤差として許容できるセトリング精度は、0.2°です。この目標値を加速度値に換算するには、正弦式を使用するのが簡単です。

ExcelやMATLABなどのツールを使えば、この式をモデル化するのは非常に簡単です。Excelを使用する場合、出力はN＝16のとき18番目のサンプルで、またN＝64のとき65番目のサンプルで最大傾斜時の0.5gの3mg以内のレベルに達します。これらの各数値をサンプル・レート（200SPS）で割ると、N=1で21ms、N=16で90ms、N=64で325ms のセトリング時間の推定値が得られます。温度セトリングの誤差は、妥当な場合、無視できる程度のものと仮定してください。検証しているデバイスは温度補正機能が組み込まれているため、許容できる仮定になるはずです。この仮定を検証することは、最終的な特性評価プロセスの一環として精度を確認する良いチャンスになります。

このタイプのシステムでは、必要な補正やフィルタ処理がすべてデバイス内で制御できるため、データ・アクイジション時間T₃を1サンプル・サイクルより長くする必要はありません。この場合、アクイジション時間は全測定時間の中で5msだけになります。

4. 消費電力とサイクル時間の関係

この分析の最後は、平均消費電力とサイクル時間、すなわち各測定イベント間の時間に関連付けられます。表2は、重要なパワー・サイクリングのパラメータをまとめたものです。いずれもセンサーのデータシートに規定されているか、または単純な分析処理によって得られるものであり、電源オフから立ち上がる状態（パワー・サイクリング）とスリープ・モードからウェイクアップする状態（スリープ・サイクリング）の両方の数値が含まれています。

これらのパラメータを使って、1SPSの測定レートを必要とするシステムのパワー・サイクリングとスリープ・サイクリングを分析し、比較することができます。以下の式は、その簡単な例です。

パワー・サイクリング:

スリープ・サイクリング:

ここでは、スリープ・サイクリングが有利となります。しかし、サイクル時間が1分当たり1サンプル増大すると（T_C＝60秒）、平均消費電力はパワー・サイクリングの場合に0.2mW、スリープ・サイクリングの場合に1.2mWとなります。図6に、サイクル時間と平均消費電力の関係を示すグラフを示します。

スリープ・モードでは、システムの残りをシャットダウンしているときに初期値のすべてが保持されます。これらの設定を保持するにはある程度電力が必要ですが、フル・スタートアップ時間より復帰時間は短くなります。ADIS16209傾斜センサーは、プログラマブルなスリープ時間と自動ウェイクアップを提供しています。このタイプのソリューションは、データ・レディ割り込み信号でウェイクアップし、必要なデータを取得してから、センサーに一定期間スリープ状態に戻るように指令するマスター・プロセッサとうまく適合します。スリープ・モードを使用するMEMS製品としては、ADIS16223振動センサーもあります。このセンサーは振動データを収集保存し、自動的にスリープ・モードに戻ると、別の測定イベントのカウントダウンを開始します。このタイプのセンサーは定期的なモニタリングを必要とするシステムに最適であり、プロセッサを使ってスリープ／データ収集モードを制御する必要はありません。

この単純な分析から、役に立つ知見がいくつか得られます。特に、スリープ・モード時に電力が必要であるとしても、スリープ・モードの制御による節電効果が期待できる場合があります。上述の例では、スリープ・モードにより、1SPSのレートで傾斜を測定しなければならないシステムにおいて消費電力を1/4に改善することができます。この場合、最大6秒の測定サイクル時間についてのスリープ・モードによる節電です。測定サイクル時間がもっと長いシステムの場合は、シャットダウン機能の維持制御に要する待機電力が小さくなるため、さらに平均消費電力を低減することができます。

結論

経済的な理由であれ環境のためであれ、消費電力の低減はほとんど普遍的ともいえる要求になっています。消費電力を低減すれば、電力コンバータ、バッテリ、太陽電池などの電源のサイズやコストを抑えることができます。それだけでなく、たとえば、熱的／機械的な設計条件を緩和したり、EMI放射を低減したり、環境影響評価を改善したりなどのメリットも得られます。

この記事でご紹介したコンセプトや分析技術は、高集積センサー製品を高く評価しているものの、できる限り消費電力を低減することが求められている技術者にとって最適な出発点となるでしょう。もっと重要なのは、システム設計には常に新たな試みとリスクが伴いますので、目標とする消費電力に影響を及ぼす動作を特定したり分析する際に必要な思考プロセスは重大な意味を持ちます。最初の分析を終えたら、ロシアの諺が言うように「Доверяй, но проверяй!（信頼せよ、されど検証せよ！）」が最終的な実装に成功するための最良の方法になります。セトリング精度（3mg）や、温度セトリングが機能を果たしているかどうかなどの重要な仮定条件を検証する必要があります。適切なハードウェアを使用できるのであれば、これらのソリューションをその意図した用途にできる限り近い条件でテストしてください。最終的にこれらの仮定条件をテストすることで信頼性が向上し、今後のパワー・マネジメント技術を分析する際の新たな仮定を改善することができます。

付録

iSensor^® 2軸傾斜計ADIS16209（図A）は、地球の重力に対して平行な1軸を基準に±180°範囲の回転（垂直モード）、あるいは地球の重力に対して垂直な2軸を基準に±90°範囲の回転（水平モード）に比例したデジタル出力を提供します。オンチップのA/DコンバータはiMEMS^®加速度センサー、内部温度センサー、電源、補助アナログ入力の出力をデジタル化し、SPI 互換インターフェース経由でそのデータを提供します。感度、サンプル・レート、帯域幅、アラーム閾値はすべてプログラマブルです。全機能を装備したこのデバイスは、補助12ビットDAC、2.5V高精度リファレンス、デジタル・セルフテスト機能、プログラマブル・パワーマネジメントを備えています。ADIS16209は3.0 ～ 3.6Vの単電源で動作し、消費電力はファースト・モードで36mA、ノーマル・モードで11mA、スリープ・モードで140μAです。16ピンLGAパッケージを採用しており、－40 ～＋125℃の温度範囲で仕様規定されています。

iSensorデジタル振動センサーADIS16223（図B）は、±70gの1軸iMEMS加速度センサーと柔軟な低消費電力シグナルプロセッサを組み合わせています。センサ―の共振周波数22kHz、サンプル・レート72.9kSPSは、機械の状態診断などのアプリケーションに最適です。移動平均／デシメーティング・フィルタによって、低帯域幅アプリケーションに対しても動作を最適化します。デバイスは、自動データ取得モード、マニュアル・データ取得モード、またはイベントに同期したデータ取得で3軸の各軸から1000サンプルを収集し、保存します。また、温度や電源電圧の測定、ピーク加速度の検出、プログラマブル・アラーム機能なども提供します。ADIS16223は3.15 ～ 3.6Vの単電源で動作し、消費電力はデータ取得モードで38mA、スリープ・モードで230μAです。16ピンLGAパッケージを採用しており、－40 ～＋125℃の温度範囲で仕様規定されています。